Sistema de transmissão
de dados de uma
aplicação remota
Projeto de Mestrado
João Carlos de Castro Setembro 2015 Mestrado em Engenharia de Telecomunicações e Redes de Energia
Sistema de Transmissão de Dados de
uma Aplicação Remota
João Carlos de Castro
Dissertação realizada sobre a supervisão do
Professor Doutor Joaquim Amândio Rodrigues Azevedo
Professor Auxiliar do
Centro de Competência de Ciências Exatas e da Engenharia da
Universidade da Madeira
Resumo
O principal objetivo deste projeto foi propor um sistema de aquisição de dados de uma aplicação remota. Existem diversas aplicações que requerem a recolha de informação remota, sendo, para isso, necessário estabelecer um sistema de comunicação dedicado. Este trabalho procurou encontrar as melhores soluções para o problema em causa, testando e avaliado um sistema de comunicação.
Para testar o sistema foi desenvolvido um protótipo de monotorização de parâmetros ambientais, que mede periodicamente os valores de temperatura, humidade, luminosidade e pressão atmosférica. A comunicação entre sensores foi realizada com recurso a rádios XBee com protocolo Zigbee.
Foi, também, desenvolvido um nó de coordenação que tem como objetivo principal gerir e manter todo o sistema de aquisição de dados. Este protótipo recebe, valida e armazena num cartão SD todos os dados provenientes do nó sensor e periodicamente envia os dados para um servidor com acesso a internet.
A aquisição de dados em aplicações remotas, normalmente, é efetuada em zonas de ausência de energia elétrica. Então, tendo em consideração a capacidade reduzida dos sistemas de armazenamento de energia, foram desenvolvidos sistemas de alimentação através de energia solar, focando-se no mínimo de consumo possível.
Para a comunicação de longa distância utilizou-se um sistema de feixes hertzianos. Estudou-se a propagação, utilizando a banda isenta de licença dos 2,4 GHz. Projetou-se uma ligação entre dois pontos e procedeu-se à validação das áreas de cobertura, a qual requer a estimação do sinal nos pontos de interesse.
Verificou-se as zonas de interferência e as zonas onde o sinal é fraco ou está no seu limite. O desenvolvimento deste sistema de comunicação foi fundamentado com a análise e avaliação dos modelos de propagação, juntamente com o software criado em plataforma Matlab.
Finalmente foram apresentadas as conclusões e algumas sugestões de trabalhos futuros.
Palavras-chave: Aquisição de dados, rádio frequência, sistema de comunicação, feixes
Abstract
The main objective of this project was to propose a data acquisition system for remote applications. There are several applications which require remote information collection, and because of this, it is necessary to establish a dedicated communication system. This study tried to find the best solutions for the problem in question, testing and evaluated a communication system.
To test the system, an environmental parameters monitoring prototype was developed, which periodically measures temperature, moisture, light and atmospheric pressure values. Communication between sensors was carried out using XBee radios with the Zigbee protocol.
Also developed was a coordinating node that aims to manage and maintain the entire data acquisition system. This prototype receives all the data from the sensor nodes, validates and stores it on an SD card. Periodically sending the data to a server with Internet access.
Data acquisition in remote applications is usually performed in the absence of electricity areas. Then, taking into account the reduced capacity of energy storage systems, a solar powered energy system was developed, focusing on the least consumption possible.
A microwave system was used for long distance communication. The radio wave propagation was studied using the 2.4 GHz free licensed band. To analyze the coverage areas, which requires signal estimation in the points of interest, a connection between two locations was designed.
The interference zones and areas where the signal is weak or is at its limits was verified. The development of this communication system was justified with the analysis and evaluation of propagation models, together with software written in the Matlab platform.
We concluded this study with some findings and presented some suggestions for future work.
Keywords: Data acquisition, radio frequency, communication systems, microwave,
Agradecimentos
A realização deste trabalho constitui, para mim, a conclusão de uma etapa que há muito vinha sendo adiada. Todo este trabalho apenas foi possível com o contributo de algumas pessoas, a quem pretendo expressar a minha gratidão.
Em primeiro lugar gostava de agradecer ao meu orientador, o Professor Doutor Joaquim Amândio Azevedo, agradeço-lhe todo o apoio prestado, pela paciência, exigência que o caracteriza, disponibilidade e conhecimentos partilhados.
Agradeço também a todos os membros da academia com quem tive a felicidade de conhecer e privar nestes anos. Ao Eng. Filipe Santos pela amizade, apoio e experiencia partilhada. Aos meus colegas de curso, em especial ao Nuno Carreira, Vítor Wilson, Sérgio Pestana, Davide Inácio, Miguel Quintal, Miguel Teixeira, Jorge Valente e ao Siarhei Tamulionak pelo companheirismo, momentos de diversão, ajuda e amizade sincera.
Um agradecimento especial para a minha família, mãe, pai, esposa e aos meus filhos pelo apoio nos bons e maus momentos, pois sem eles nada seria possível.
Índice
Resumo ... v Abstract ... vii Agradecimentos ... ix Índice ... xi Lista de acrónimos ... xvÍndice de Figuras ... xvii
Índice de Tabelas ... xxi
1. Introdução ... 1
1.1 - Motivação e Objetivos ... 1
1.2 - Estrutura da tese ... 2
2. Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos ... 3
2.1 Sistemas de rádio frequência ... 3
2.2 Modelos de propagação ... 4
2.3 Modelos em terrenos irregulares ... 6
2.3.1 Modelo em espaço livre ... 7
2.3.2 Modelo de obstáculo em lâmina ... 8
2.3.3 Modelo de Epstein-Petterson ... 9
2.3.4 Modelo de Deygout ... 10
2.3.5 Modelo ITU-R P530-14 ... 11
2.3.6 Modelo Egli ... 12
2.3.7 Modelo de Longley-Rice ... 13
2.4 Modelos para vegetação ... 15
2.4.1 Modelo de Weissberger ... 15
2.4.2 Modelo ITU ... 16
2.4.3 Modelo COST 235 ... 16
2.3.4 Modelo Log-Normal ... 16
2.4.5 Modelo de Azevedo e Santos ... 17
2.5 Modelos devido a condições atmosféricas ... 17
2.5.1 Atenuação por oxigénio e vapor de água ... 17
2.5.2 Modelo ITU para nevoeiro e nebulosidade ... 19
2.6 Feixes hertzianos ... 21
2.6.1 Tipos de atenuação ... 22
2.6.2 Desvanecimento ... 22
2.7 Projeto de ligação por feixes hertzianos ... 24
2.7.1 Escolha do percurso ... 24
2.7.2 Frequência ... 25
2.7.3 Antenas ... 25
2.7.4 Cabos e guias de ondas ... 25
2.7.5 Equipamento radioelétrico ... 25
2.7.6 Fornecimento de energia ... 26
2.7.7 Cálculo de uma ligação ... 26
2.8 Conclusões do capítulo ... 27
3. Implementação dos modelos e Software existente ... 29
3.1 AirLink ... 29 3.2 RADIO MOBILE ... 30 3.3 MATLAB ... 32 3.3.1 Requisitos do programa ... 33 3.3.2 Estrutura e Organização ... 33 3.4 Conclusões do capítulo ... 40 4. Desenvolvimento do protótipo ... 41
4.1 Requisitos referentes aos dispositivos a desenvolver ... 41
4.1.2 Arquitetura do sistema ... 41
4.2 Rede de sensores sem fios ... 43
4.3 Nó terminal ... 44
4.3.1 XBee ... 44
4.3.2 Arduíno Fio ... 46
4.3.3 Sensor de humidade e temperatura ... 47
4.3.4 Sensor de luminosidade ... 48
4.3.5 Sensor de pressão atmosférica ... 49
4.3.6 Tensão na bateria e no painel solar ... 50
4.3.7 Sistema de interrupção ... 50
4.3.8 Protótipo desenvolvido ... 51
4.4 Nó Coordenador ... 53
4.4.2 Receção de dados ... 54
4.4.3 Informação temporal ... 55
4.4.4 Sistema de armazenamento de dados ... 55
4.4.5 Envio de dados ... 56
4.4.6 Protótipo desenvolvido ... 59
4.5 Comunicação ... 62
4.5.1 Antenas dos Nós ... 62
4.5.2 Antena de feixes hertzianos ... 63
4.6 Consumos e cálculos teóricos ... 65
4.6.1 Nó sensor ... 65
4.6.2 Nó coordenador ... 66
4.7 Alimentação ... 68
4.7.1 Alimentação do nó sensor ... 68
4.7.2 Alimentação nó Coordenador ... 70
4.8 Plataforma de visualização de dados ... 72
4.9 Conclusões de capítulo ... 75
5. Testes e Resultados ... 77
5.1 Projeto de ligação do sistema de feixes hertzianos ... 77
5.2 Localização das antenas ... 79
5.3 Cálculo teórico da ligação ... 83
5.4 Ligação no terreno ... 88
5.5 Margem de ligação ... 93
5.6 Apresentação dos dados ... 94
5.6 Conclusões de capítulo ... 96
6. Conclusões e trabalhos futuros ... 97
6.1 Conclusões ... 97 6.2 Trabalhos futuros ... 99 7. Bibliografia ... 101 Anexo I ... 107 Anexo II ... 109 Anexo III ... 125 Anexo IV ... 147 Anexo V ... 149 Anexo VI ... 157 Anexo VII... 171 Anexo VIII ... 177
Lista de acrónimos
ABS - Acrylonitrile Butadiene Styrene ADC- Analog-to-Digital Converter
ANACOM- Autoridade Nacional de Comunicações API- Application Programming Interface CIP- Condições Ideais de Propagação DHCP- Dynamic Host Configuration Protocol
DRIGOT- Direção Regional de Informação Geográfica e Ordenamento do Território EIRP- Effective Isotropically Radiated Power
GPS- Global Positioning System GUI- Guided User Interface
IP- Internet Protocol
IPMAInstituto Português do Mar e da Atmosfera ISM- Industrial, Scientific and Medical
ITM- Irregular Terrain Model LAN- Local Area Network
LIDAR- Light Detection And Ranging LOS- Line of Sight
MEMS-Microelectromecanical MG- Magnetic North NLOS- Non Line Of Sight
NTP- Network Time Protocol PAN ID- Personal Area Network ID
PHP- Hypertext Preprocessor POE- Power Over Ethernet PWM- Pulse Width Modulation
RF- Rádio Frequência ROM- Read-Only Memory
RPSMA- Reverse Polarity SubMiniature version A RSSI- Received Signal Strenght Indication
SD- Secure Digital SOC- State of Charge
SPI- Serial Peripheral Interface
SRTM- Space Shuttle Radar Terrain Mapping Mission SWR- Standing Wave Ratio
TCO- Temperature Coefficiente of Offset TCS- Temperature Coefficient of Sensitivity
TN- True North
UARTS- Universal Asynchonous Recever/Transmitter UBNT- Ubiquiti Networks
UHF- Ultra High Frequency USGS- U. S. Geological Survey
UTM- Universal Transverse Mercator UTP- Unshielded Twisted Pair VHF- Very High Frequency WiFi- Wireless Fidelity
WLAN- Wireless Local Area Network WSN- Wireless Sensor Network
Índice de Figuras
Figura 2.1 - Elipsoide de Fresnel [11] ... 6
Figura 2.2 - Modelo em espaço livre. ... 7
Figura 2.3 - Modelo de difração em obstáculo em lâmina isolado... 8
Figura 2.4 - Representação gráfica da atenuação suplementar devido ao obstáculo. ... 8
Figura 2.5 - Representação gráfica do Modelo de Epstein-Petterson. ... 9
Figura 2.6 - Representação gráfica do Modelo de Deygout. ... 10
Figura 2.7 - Modelo ITU. ... 11
Figura 2.8 - Perda por difração em ligações RF para ligações em linha de vista [7]. .... 12
Figura 2.9 - Fator do terreno em relação a frequência [4]. ... 13
Figura 2.10 - Geometria associada ao modelo de Longley-Rice [4]. ... 14
Figura 2.11 - Atenuação de referência [16]. ... 15
Figura 2.12 - Atenuação específica devida aos gases atmosféricos [19]. ... 19
Figura 2.13 - Produto em a atenuação e a frequência [14]. ... 20
Figura 2.14 - Distinção dos diferentes tipos de atenuação [3]... 22
Figura 2.15 - Desvanecimento não excedido durante 80% do tempo em função da distância [3]. ... 24
Figura 2.16 - Cálculo da ligação por feixes hertzianos. ... 26
Figura 3.1 - Janela principal do programa airLink. ... 29
Figura 3.2 - Perdas de propagação com o software AirLink. ... 30
Figura 3.3 - Percurso de propagação Radio Mobile. ... 31
Figura 3.4 - Parâmetros da antena yagi no Rádio Mobile. ... 31
Figura 3.5 - Resultados de uma antena diferente... 32
Figura 3.6 - Fluxograma do programa de perdas de propagação em vegetação. ... 34
Figura 3.7 - Representação gráfica do programa de curvas de atenuação desenvolvido. ... 35
Figura 3.8 - Fluxograma referente a organização o programa de perdas de propagação. ... 36
Figura 3.9 - Fluxograma de dependência de funções. ... 36
Figura 3.10 - Representação gráfica do programa de perdas de propagação desenvolvido. ... 37
Figura 3.12 - Mapa para a aquisição dos pontos de propagação. ... 38
Figura 3.13 - Características da transmissão. ... 39
Figura 3.14 - Representação do perfil de transmissão. ... 39
Figura 3.15 - Perdas de propagação em terrenos irregulares ... 39
Figura 4.1 - Diagrama de blocos do nó sensor. ... 42
Figura 4.2 - Diagrama de blocos do nó coordenador. ... 42
Figura 4.3 - Arquitetura do sistema proposto. ... 43
Figura 4.4 - Módulo XBee serie 2 ZB [39]. ... 44
Figura 4.5 - Estrutura da trama API do XBee. ... 45
Figura 4.6 - Programa XCTU. ... 45
Figura 4.7 - Placa de desenvolvimento Arduíno fio. ... 46
Figura 4.8 - Sensor de humidade e temperatura SHT11. ... 47
Figura 4.9 - a) Ligação entre o sensor e o microcontrolador. b) Diagrama de blocos. .. 47
Figura 4.10 - a) Sensor S1087. b) Resposta do fotodíodo. c) Circuito de condicionamento. ... 48
Figura 4.11 - Sensor de pressão atmosférica e diagrama de blocos. ... 49
Figura 4.12 - Circuito de alarme. ... 50
Figura 4.13 - Circuito desenvolvido. ... 51
Figura 4.14 - Protótipo do nó sensor. ... 51
Figura 4.15 - a) Fluxograma do programa do nó sensor. b) Fluxograma da função Read and Send. ... 52
Figura 4.16 - Placa de desenvolvimento Arduíno Mega. ... 53
Figura 4.17 - Fluxograma da recolha de dados. ... 54
Figura 4.18 - Fluxograma com o processo de aquisição de relógio. ... 55
Figura 4.19 - a) Módulo leitor cartão SD. b) Cartão micro SD. ... 56
Figura 4.20 - Comunicação SPI. ... 56
Figura 4.21 - a) Ethernet W5100 shield. b) Ethernet W5100. c) Ethernet W5200 shield. ... 57
Figura 4.22 - Fluxograma da leitura e envio de dados do cartão SD. ... 58
Figura 4.23 - Circuito do nó coordenador. ... 59
Figura 4.24 - Protótipo do nó coordenador desenvolvido. ... 60
Figura 4.25 - Fluxograma do código desenvolvido para o nó coordenador. ... 61
Figura 4.27 - Antena de feixes hertzianos Power Station 2. ... 63
Figura 4.28 - Janela de primeira utilização da antena. ... 64
Figura 4.29 - Bateria de iões de lítio. ... 68
Figura 4.30 - Painel solar de alimentação do nó terminal. ... 69
Figura 4.31 - Diagrama do controlador MAX1555. ... 69
Figura 4.32 - Circuito de carga da bateria. ... 70
Figura 4.33 - Bateria de gel 12V 18 Ah. ... 70
Figura 4.34 - Painel solar de alimentação do nó coordenador... 71
Figura 4.35 - Controlador de carga solar Steca. ... 71
Figura 4.36 - Sistema de carregamento do nó coordenador ... 72
Figura 4.37 - Fluxograma da plataforma de visualização de dados. ... 73
Figura 4.38 - Fluxograma das alterações a base de dados. ... 74
Figura 4.39 - Plataforma de visualização de dados. ... 75
Figura 5.1 - Fluxograma de um projeto de ligação de feixes hertzianos. ... 78
Figura 5.2 - Instalação da antena de feixes hertzianos no edifício da UMa. ... 79
Figura 5.3 - a) Esquemático de ligação da antena. b) Ficha de rede UTP com POE. .... 80
Figura 5.4 - Localização dos sítios de teste do sistema. ... 82
Figura 5.5 - Perfil de elevação do percurso UMa - Serras de São Roque. ... 82
Figura 5.6 - Perfil de elevação do percurso UMa – Chão da Lagoa (LOS) ... 83
Figura 5.7 - Perfil de elevação do percurso UMa – Chão da Lagoa (NLOS). ... 83
Figura 5.8 - Projeto da ligação por feixes hertzianos. ... 84
Figura 5.9 - Ferramenta de alinhamento da antena. ... 88
Figura 5.10 - a) Separação da antena da parte de potência. b) Gráfico de adaptação. ... 89
Figura 5.11 - Protótipo completo montado nas Serras de São Roque. ... 90
Figura 5.12 - Valores de potência recebida no percurso 1. ... 91
Figura 5.13 - Valores de potência recebida no percurso 2. ... 91
Figura 5.14 - Valores de potência recebida no percurso 3. ... 91
Figura 5.15 - Margem de ligação... 93
Figura 5.16 - Dados no cartão SD. ... 94
Figura 5.17 - Processo de envio de dados. ... 94
Figura 5.19 - a) Tensão no painel fotovoltaico. b) Luminosidade. c) Tensão na bateria. d)
Pressão atmosférica. ... 95
Figura VII.1 - Ligação da antena à rede elétrica. ... 171
Figura VII.2 - Procedimento de configuração de Windows. ... 172
Figura VII - Primeira configuração da antena UBNT. ... 173
Figura VII - Ligação ponto a ponto – rede (Access point). ... 173
Figura VII - Ligação ponto a ponto – WiFi (Access point)... 174
Figura VII - Ligação ponto a ponto – rede (Station). ... 174
Índice de Tabelas
Tabela 2.1 - Intensidade de precipitação (mm/h) ... 21
Tabela 4.1 - Caraterísticas principais dos módulos de Ethernet. ... 57
Tabela 4.2 - Consumo do Nó Sensor. ... 65
Tabela 4.3 - Consumo do nó coordenador. ... 66
Tabela 5.1 - Caraterísticas da antena de transmissão. ... 80
Tabela 5.2 - Coordenadas de teste do sistema. ... 81
Tabela 5.3 - Atenuação em Espaço livre. ... 84
Tabela 5.4 - Atenuação provocada por oxigénio e vapor de água. ... 84
Tabela 5.5 - Atenuação provocada por precipitação. ... 85
Tabela 5.6 - Potência recebida em dBm. ... 85
Tabela 5.7 - Simulação das perdas de percurso em dB. ... 86
Tabela 5.8 - Simulação das potências recebidas em dBm. ... 86
Tabela 5.9 - Nível de potência simulada no AirLink em dBm. ... 87
Tabela 5.10 - Perdas de percurso no programa Radio Mobile. ... 87
Tabela 5.11 – Características de localização e alinhamento da antena transmissora. .... 89
Tabela 5.12 - Valores de potência de sinal recebido em dBm. ... 91
Tabela 5.13 - Comparação de valores ... 92
1. Introdução
Um sistema de transmissão tem como objetivo fundamental a transmissão de informação entre dois pontos. A informação é transmitida através de canais de comunicação adequados.
Na implementação de uma rede de sensores sem fios a transmissão de dados tem um alcance relativamente curto. O recetor pode recolher dados a partir de um grande número de sistemas de controlo. A transmissão de dados de aplicações remotas depende muito da localização geográfica. Não existe apenas uma única tecnologia que satisfaça as necessidades de todos os utilizadores
Os sistemas de feixes hertzianos são normalmente utilizados com o intuito de fornecer uma ligação, sem recurso a fios, para um sistema de transmissão separado por uma grande distância. A propagação faz-se normalmente em linha de vista, em que a ausência de suporte físico torna este tipo de ligação vantajosa para distâncias elevadas ou quando existem obstáculos, como rios ou montanhas.
1.1 - Motivação e Objetivos
Existem diversas aplicações que requerem a recolha de informação remota, sendo, para isso, necessário estabelecer um sistema de comunicação dedicado. Este trabalho tem como objetivo principal encontrar as melhores soluções para o problema em causa testando e avaliado um sistema de comunicação.
Englobado neste objetivo principal sujem os objetivos secundários.
Para validar o sistema de comunicação foi necessário criar uma rede de monotorização sem fios, com o objetivo de recolher os dados de temperatura, humidade, luminosidade e pressão atmosférica.
Os dados são depois armazenados num nó coordenador que tem por objetivo a gestão e o envio para um servidor com acesso a internet, recorrendo a um sistema de feixes hertzianos.
Após a entrega dos dados, o servidor tem como objetivo armazenar os dados e permite a sua visualização gráfica.
Este sistema tem de poder ser colocado em locais remotos, assim, existi-o a necessidade de apresentar um sistema autónomo, portátil e alimentado a energia solar.
Finalmente será realizado o estudo de propagação entre o local de emissão e o de receção, apresentando e analisando as melhores soluções ao sistema proposto.
A execução deste projeto de Mestrado tem vista a vontade de apresentar um trabalho prático na resolução um problema real na área das telecomunicações.
Capítulo I - Introdução
1.2 - Estrutura da tese
Este documento apresenta-se estruturado em 6 capítulos, organizados da forma que se segue:
No primeiro capítulo é apresentada uma introdução ao projeto assim como a motivação e objetivos a cumprir no decorrer desta tese.
Segue-se um capítulo que visa introduzir a teoria necessária à compreensão e contextualização do presente trabalho. São apresentados os principais modelos de propagação em terrenos irregulares, vegetação e condições atmosféricas. Os sistemas de feixes hertzianos serão também abordados, descrevendo uma possível abordagem teórica e principais elementos a tomar em consideração na projeção de uma ligação ponto a ponto.
No seguimento do trabalho são descritos os softwares de propagação gratuitos, avaliados para este trabalho, e o programa de simulação desenvolvido perante a análise e previsão das perdas de propagação ao longo do percurso, em plataforma MATLAB, para planeamento de uma ligação rádio frequência.
No quarto capítulo relata-se o desenvolvimento de todo o sistema de transmissão e receção de dados de uma aplicação remota. Para isso, descrevem-se os protótipos desenvolvidos para a rede de sensores sem fios implementada, juntamente com o sistema de comunicação e software utilizado.
Na sequencia deste trabalho são descritos os testes e resultados obtidos no sistema de transmissão de dados de uma aplicação remota. São apresentadas as considerações a seguir num projeto de ligação de um sistema de feixes hertzianos e analisados os locais onde se efetuou os testes, validando os modelos de software desenvolvidos.
Para a finalização do trabalho desenvolvido apresenta-se o capítulo onde são apresentadas as conclusões finais, tendo em conta a contribuição para o desenvolvimento de um sistema de transmissão de dados de uma aplicação remota. São também referidos trabalhos a realizar futuramente com vista a otimização do projeto.
2. Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
Neste capítulo são apresentados os principais modelos de propagação em terrenos irregulares, vegetação e condições atmosféricas que servem de base a este trabalho. Os sistemas de feixes hertzianos serão também abordados, descrevendo uma possível abordagem teórica e principais elementos a tomar em consideração na projeção de uma ligação ponto a ponto.
2.1 Sistemas de rádio frequência
Um sistema de telecomunicações tem como objetivo fundamental a transmissão de informação entre dois pontos. A informação é transmitida através de canais de comunicação adequados, que podem ser, par de cobre, fibra ótica ou canal rádio.
A tecnologia sem fios tem vindo a conquistar um papel cada vez mais relevante nas comunicações. Impulsionada pelas comunicações móveis, aliadas aos smartphones e à demanda de informação, continuam a contribuir para o crescimento vertiginoso desta tecnologia. Ainda, a tecnologia sem fios tem sido aplicada durante muitos anos para garantir comunicações seguras na monitorização e controlo de processos, incluindo aplicações críticas. A escolha para uma determinada aplicação tem de tomar em consideração o desempenho e as características que melhor se adequam. Existem muitos tipos de tecnologias sem fios, diferindo uns dos outros nas suas técnicas de modulação, taxas de transmissão de dados, distância de transmissão, segurança, complexidade, custo e consumo de energia [1].
Em Portugal, a entidade responsável pela regulação e licenciamento dos segmentos de espetro de rádio frequência, destinados às tecnologias sem fios recai sobre a alçada da ANACOM (Autoridade Nacional de Comunicações) que é responsável pela atribuição de frequências, níveis de potência e ganhos das antenas do sistema. Devido à regulamentação do espetro, as tecnologias sem fios isentas de licença, ISM (Industrial, Scientific and
Medical) vêm oferecendo diversas opções na resolução de necessidades específicas das
aplicações [2].
A banda dos 2,4 GHz é geralmente reservada a transmissões isentas de licença. Como resultado, o congestionamento poderá ser um potencial problema. Existem situações em que se torna necessário o sacrifício da eficiência em função de uma comunicação segura. No entanto, o uso de tecnologia sem fios na banda ISM tem vindo a aumentar drasticamente nos últimos anos. Além de ter suplementado as tecnologias licenciadas no que diz respeito a comunicações de curtas e médias distâncias (alguns quilómetros), foram descobertas muitas novas aplicações.
A implementação de um sistema RF (Rádio Frequência) permite a transmissão de dados de alcance relativamente curto (alguns quilómetros). A vantagem destes sistemas é que um recetor pode recolher dados a partir de um grande número de sistemas de controlo remoto. Isso permite que exista uma estação base com localização central ou
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
uma plataforma móvel que pode mover-se dentro do alcance das estações de monitorização e recolher todos os dados sem realmente visitar o local. Uma vantagem adicional é que, além da manutenção ocasional, não existem custos suplementares com um sistema de rádio depois da sua implementação.
Os sistemas de transmissão de dados de aplicações remotas, que dependem muito da localização geográfica, podem apresentar várias condicionantes, como a existência ou não de infraestruturas de comunicação, ou até energia elétrica.Não existe apenas uma única tecnologia que satisfaça as necessidades de todos os utilizadores e, como resultado, são utilizadas várias tecnologias dependo apenas da aplicação.
Os sistemas de feixes hertzianos são normalmente utilizados com o intuito de fornecer uma ligação, sem recurso a fios, para um sistema de transmissão separado por uma grande distância. A transmissão de informação de sistemas de televisão, satélite, controlo aéreo e sistema de comunicação de voz têm a sua presença bem vincada nas ligações por feixes hertzianos.
A propagação faz-se normalmente em linha de vista LOS (Line of Sight). Sempre que o comprimento da ligação excede os 50 km, ou que a orografia o impõe, torna-se necessário a utilização de repetidores [3].
O recurso a frequências elevadas (normalmente superiores a 1 GHz), dada a largura de banda disponível, permite atingir capacidades de transmissão elevadas. A grande vantagem dos sistemas de rádio frequência é a ausência de suporte físico, tornando este tipo de ligação vantajosa para distâncias elevadas ou quando existem obstáculos, como rios ou montanhas.
2.2 Modelos de propagação
No projeto de um sistema de comunicação é essencial que os valores obtidos pelos modelos de propagação se aproximem o mais possível da realidade. No entanto, grande parte dos modelos de propagação apenas fornecem um valor médio de sinal, sendo necessário conhecer a estatística do sinal para a obtenção da sua variação. O conhecimento das distribuições estatísticas leva a uma compreensão adequada do comportamento do sinal no meio de propagação. Para a determinação correta do modelo a usar, tem-se que levar em conta todos os fatores que podem influenciar a propagação do sinal no canal de transmissão.
A bibliografia, apesar de já ser extensa no que diz respeito aos modelos de propagação, ainda não apresenta um modelo que seja capaz de prever a atenuação do sinal em qualquer meio [4].
O planeamento das áreas de cobertura de uma aplicação remota requer a estimação do sinal nos pontos de interesse. Torna-se, por isso, crucial prever as zonas de interferência e as zonas onde o sinal é fraco ou está no seu limite. A previsão destes sinais requer uma estimativa do seu do valor médio e as respetivas variações.
A propagação do sinal é geralmente dependente de dois tipos de desvanecimento, um lento, que depende da distância, com distribuição log-normal, e um rápido, normalmente relacionado com o movimento do terminal e ao fenómeno de multipercurso com distribuição de Rice.
Os modelos de propagação encontram-se divididos em duas categorias distintas: Empíricos - modelos baseados em medições, apresentando relações
simples entre a atenuação e a distância.
Teóricos - modelos que requerem bases de dados geográficas, utilizando métodos de ligações fixas.
Os modelos empíricos são baseados em medidas experimentais, e são, caracterizados por curvas e equações que se adequam às medições efetuadas. Têm como principal vantagem contabilizar a totalidade dos fatores que influenciam a propagação. A principal desvantagem reside na necessidade de estarem sujeitos a validação, para os diferentes locais, frequências, ambientes e condições de medição.
Os modelos teóricos são caracterizados por não contabilizarem todos os fatores, não têm em consideração o tipo de ambiente, permitem alterações aos parâmetros e dependem da existência de bases de dados geográficas.
Os modelos híbridos, além de utilizarem as vantagens dos anteriores, são flexíveis. São realizados com medições nos locais de propagação e conjuntamente com os modelos teóricos são minimizados os erros. Para a aplicação de modelos com parte empírica, existe a necessidade da classificação dos diversos ambientes em três grandes categorias: rural, suburbano e urbano [4].
Os modelos de propagação são extremamente relevantes no que diz respeito à propagação do sinal de transmissão. Os modelos em Espaço Livre, Obstáculo Isolado em
Lâmina, Epstein-Petterson, Deygout, ITU-R P530-14, Egli e o Modelo de Longley-Rice
são alguns dos principais modelos de propagação que podem ser utilizados em terreno irregular na frequência de operação de 2,4 GHz [4].
As características do terreno são as principais causas da alteração na propagação das ondas eletromagnéticas. No entanto, nos modelos base apenas está contemplado o relevo do terreno. A vegetação, os edifícios e as estruturas construídas não estão definidas. Esta falta levou a que fossem investigados mecanismos de propagação em áreas de floresta. Os modelos de Weissberger [5], Cost 235 [6], ITU [7], log-normal [8] e Azevedo e Santos [9] são exemplos de modelos utilizados na estimação de perdas em ambiente florestal. Estes baseiam-se principalmente em medições na banda dos UHF (Ultra High Frequency) e foram desenvolvidos modelos empíricos válidos nas frequências de 200 MHz a 95 GHz [10].
O desempenho de sistemas de rádio frequência é limitado pelo percurso de transmissão entre o transmissor e o recetor, que pode variar desde um canal em linha de vista até um severamente afetado por obstruções como edifícios, montanhas ou folhagem [8].
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
A propagação no espaço livre acontece quando existe comunicação entre antenas sem reflexão ou absorção das ondas eletromagnéticas. Isto raramente acontece e na prática é suficiente manter a primeira zona de Fresnel livre de obstáculos, como mostra a Figura 2.1. A primeira zona de Fresnel é determinada pela superfície do elipsoide de revolução, com as antenas de transmissão e receção nos focos, em que a onda refletida tem um percurso de meio comprimento de onda superior ao percurso direto entre as antenas [4].
Rx
Tx
Linha de Vista
Zona de Fresnel
Figura 2.1 - Elipsoide de Fresnel [11]
A difração, reflexão e desvanecimento são os fenómenos mais importantes quando se fala numa propagação em que não exista linha de vista. Os sistemas de transmissão de rádio frequência recorrem à difração e reflexão em telhados, esquinas de edifícios e outros obstáculos para assegurarem a cobertura de rede.
2.3 Modelos em terrenos irregulares
Em sistemas de comunicações terrestres, a geografia do terreno prejudica significativamente a propagação das ondas eletromagnéticas. O relevo da área de transmissão tem de ser considerado quando se estima a atenuação. A presença de árvores, edifícios e outros obstáculos afetam significativamente a previsão das perdas de percurso. Com a existência da Terra, existe a reflexão no solo e a difração terrestre deve-se à curvatura da terra. Os terrenos irregulares podem produzir perdas por difração, zonas de sombra, zonas de bloqueio e reflexões múltiplas mesmo em pequenas distâncias. O propósito de um modelo de terreno é proporcionar uma medida média da perda de percurso como uma função entre a distância e do tipo de terreno.
Existe um número considerável de modelos que tentam prever a atenuação em terrenos irregulares. Os métodos variam, assim, como a complexidade e a sua precisão.
2.3.1 Modelo em espaço livre
Existem vários modelos de atenuação, sendo o mais simples o da perda em espaço livre [4]. O seu valor apenas depende da frequência e da distância. No entanto, mesmo em condições ideais e perante a inexistência de obstáculos entre o transmissor e recetor, a potência recebida é sempre inferior à potência emitida. A Figura 2.2 apresenta este processo de perda de energia.
Tx
Rx
Energia Recebida
Energia Não Recebida
Figura 2.2 - Modelo em espaço livre.
Para o modelo em espaço livre, a perda de percurso pode ser determinada pelo fator da equação de Friis, dado por:
4π (2.1)
onde é o comprimento de onda (m) e é a distância entre antenas em metros. A equação 2.1 pode ser reescrita em dB por:
dB 32,4 20 log 20 log (2.2)
Trata-se de um modelo teórico válido quando o primeiro elipsoide de Fresnel se encontra livre de obstáculos. Para antenas próximas da Terra deve-se incluir a reflexão no solo e a perda de percurso então é dada por:
PLGR dB 20 log10 2 sin (2.3)
em que , e , são as alturas das antenas emissora e recetora, respetivamente, e 2π/ . Para grandes distâncias em relação ao emissor, ≫ verifica-se que (2.3) apenas depende de , e . Neste caso a atenuação excede o modelo de espaço livre [4].
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
2.3.2 Modelo de obstáculo em lâmina
Utiliza-se o modelo de difração por obstáculo isolado em lâmina (knife-edge), apresentado na Figura 2.3, quando existe um obstáculo normal à direção de propagação.
Tx Rx
01
d1 d2
Obstáculo principal
Figura 2.3 - Modelo de difração em obstáculo em lâmina isolado.
No caso ideal, o obstáculo caracteriza-se por um parâmetro de difração de
Fresnel-Kirchhoff. Este parâmetro é adimensional e é dado por:
2 1 2
1 2 (2.4)
em que é o comprimento de onda, é a altura do obstáculo acima do raio direto, representam as distâncias entre o obstáculo e as antenas.
A atenuação suplementar devido ao obstáculo em dB é descrita por:
20log 1
2 1 2
2 (2.5)
em que representa a função cosseno integral e a função seno integral [12]. Na Figura 2.4 tem-se uma representação gráfica da função.
No entanto, na maior parte dos casos práticos de propagação, a transmissão não pode representar-se apenas por um único obstáculo entre o transmissor e o recetor [4].
2.3.3 Modelo de Epstein-Petterson
O modelo Epstein-Petterson [4] divide o percurso total em sub-percursos, cada um contendo um obstáculo. É calculada a atenuação para cada um dos percursos e a atenuação total é dada pela soma dos sub-percursos.
Para se aplicar o modelo, começa-se por desenhar uma linha entre o emissor Tx até ao vértice do obstáculo representado na Figura 2.5 por 02, a perda do percurso 1 - 2 que contém o obstáculo 01 é calculada com base no modelo de obstáculo em lâmina e a altura é dada por 1. De forma semelhante é calculada a perda para os percursos seguintes, contendo os obstáculos 02 e 03. Para o obstáculo 02 o percurso considerado é o composto por 2 3, (contém os obstáculos 01, 02 e 03). É traçada uma linha entre 01 e 03 e a altura utilizada é 2, fazendo uma perpendicular entre o topo do obstáculo e linha traçada. Finalmente, é usado o mesmo processo para o obstáculo 03, que contém o percurso composto por 3, 4 e Rx [13].
Tx Rx 01 02 03 d1 d2 d3 d4 h2
Figura 2.5 - Representação gráfica do Modelo de Epstein-Petterson.
Quando existem dois obstáculos isolados em lâmina bastante próximos a comparação de resultados revela erros por excesso [4]. Desta forma, foi deduzida uma correção que deverá ser aplicada quando os parâmetros são muito superiores à unidade. A correção deve ser somada à perda, sendo esta dada por:
′ dB log
10 cosec (2.6)
onde para dois obstáculos 1 e 2 se tem
cosec 1 2 2 3
2 1 2 3
1
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
O modelo de Epstein-Petterson sem correções leva a resultados demasiado otimistas e não leva em consideração atenuações urbanas. Quando elas existem, tem-se de considerar uma perda suplementar de 10 dB ou mais, que tem de ser adicionada [4].
2.3.4 Modelo de Deygout
O modelo de Deygout [4] é frequentemente referido como método do obstáculo principal devido a considerar o obstáculo que introduz maior atenuação. Para se selecionar o principal, tem-se que calcular os parâmetros de cada um dos obstáculos suprimindo os restantes e, para aquele que tiver maior valor, é então calculada a sua perda. Na Figura 2.6 contendo três obstáculos, começa-se por dividir o percurso em três sub-percursos, Tx-01-Rx, Tx-02-Rx e Tx-03-Rx. Calcula-se os parâmetros e, neste caso, o obstáculo 02 é o obstáculo de maior valor. Então, os obstáculos 01 e 03 são calculados com referência a 02. Generalizando, para um percurso com vários objetos, a perda é calculada como sendo o somatório das perdas individuais, para todos os obstáculos, por ordem decrescente de parâmetros , uma vez que o processo é repetido recursivamente.
Tx
Rx
01
02
03
d1
d2
d3
d4
Obstáculo principalFigura 2.6 - Representação gráfica do Modelo de Deygout.
As estimativas de perda, utilizando este método, geralmente demonstram grande coerência, com boas aproximações à perda de percurso. No entanto, existem alguns problemas por excesso quando existem vários obstáculos ou quando os obstáculos estão muito próximos. O modelo tem um melhor desempenho quando existe claramente um obstáculo de referência, em relação aos restantes. No entanto, obtendo dois obstáculos comparáveis, já existem correções presentes na literatura [4].
Quando e , , cosec cot 1 a correção é dada por:
′ 20 log
10 cosec2 2
2.3.5 Modelo ITU-R P530-14
No modelo ITU-R P530-14 [7], as perdas de um determinado percurso são baseadas na teoria da difração, que toma em consideração o tipo de terreno e a vegetação. Para um dado percurso, o valor mínimo, quando apenas existe um obstáculo, é obtido pelo método do obstáculo em lâmina e o valor máximo é obtido pelo modelo da terra esférica. Com base nestes modelos, obtém-se uma forma rápida de determinar a atenuação média [14]. O modelo é representado na Figura 2.7 e descrito por:
dB 20 / 1 10 (2.9)
Tx
Rx
d1
d2
d
Obstáculo principalh
LOS
Figura 2.7 - Modelo ITU.
em que é a diferença de altura do percurso com o obstáculo mais significativo e o percurso em linha de vista entre o emissor e o recetor. No caso de o obstáculo estar acima da linha de vista, é negativo. O raio do primeiro elipsoide de Fresnel, é dado por:
1 17,3 1 2 (2.10)
no qual e são as distâncias de cada terminal ao obstáculo, é a distância entre terminais e é a frequência em MHz. / é o parâmetro que representa a normalização da área de terreno livre de obstáculos. Quando o perfil do terreno bloqueia a linha de vista tem-se / 0. A Figura 2.8 apresenta os gráficos de perda estimada em função do quociente / da rugosidade do terreno.
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
Figura 2.8 - Perda por difração em ligações RF para ligações em linha de vista [7].
O modelo teórico para um único obstáculo é representado pela curva B, enquanto a curva D representa o modelo de terra esférica a 6,5 GHz utilizando 4/3 do raio da terra. A curva representa o modelo de propagação ITU com rugosidade média definida pela equação (2.10).
As curvas definem as perdas suplementares à perda em espaço livre. Este modelo normalmente é considerado quando as perdas são superiores a 15 dB, mas como se verifica pode ser extrapolado até aos 6 dB [7].
2.3.6 Modelo Egli
O modelo Egli é um modelo de propagação de RF em terrenos irregulares. Foi baseado em dados reais de transmissão de televisão em UHF (Ultra High Frequency) e VHF (Very High Frequency) em várias grandes cidades. O modelo prevê a atenuação para uma transmissão ponto-a-ponto. Sendo normalmente utilizado em transmissão em linha de vista, LOS (Line-Of-Sight), prevê a atenuação total da ligação, ao contrário de outros modelos que apresentam uma perda adicional à perda em espaço livre. Tipicamente é utilizado em comunicações móveis, no qual existe uma antena fixa e uma outra móvel. No entanto, pode ser aplicado em terrenos irregulares. Tem como desvantagem não tomar em consideração obstruções compostas por vegetação ou folhagem [4].
A perda de percurso é representada por:
50 2 2 40 2 (2.11) 40 30 20 10 0 –10 B D Ad –1 0 1 –1.5 –0.5 0.5 D iff ra ct io n lo ss r el at iv e t o f re e spa ce ( dB ) Normalized clearance h/F1
em que e representam os ganhos da antena base e da antena móvel, e são as alturas das antenas da base e móvel em metros e é a distância entre os terminais em metros. Egli assumindo uma distribuição log-normal da variação da altura do terreno, calculou uma família de curvas, representadas na Figura 2.9, que devem ser somadas à perda média da ligação.
Figura 2.9 - Fator do terreno em relação a frequência [4].
Delisle, tendo em consideração o trabalho de Egli apresentou uma aproximação computacional mais simples [12].
40 log 20 log 20 log
(2.12)
76,3 10 log 10
76,3 20 log 10 (2.13)
para antenas com alturas elevadas a perda prevista pela equação (2.12) poderá ser inferior às perdas por espaço livre, devendo-se, neste caso, utilizar esse valor.
2.3.7 Modelo de Longley-Rice
O modelo de Longley-Rice foi desenvolvido na década de 60 e tem evoluído ao longo dos anos. É um dos modelos mais detalhados, tendo em consideração o tipo de terreno, o clima, o tipo de solo e a curvatura da terra [4] [14] [15].
O modelo Longley-Rice também é conhecido por ITM (Irregular Terrain Model) É um modelo pormenorizado, bem documentado, e geralmente usado em sistemas de comunicação, em terrenos irregulares. Cobre uma gama de frequências desde os 20 MHz até aos 20 GHz, suportando distâncias de 1 km até aos 2000 km, com antenas de polarização horizontal ou vertical. Por ser um modelo complexo, torna-se necessário recorrer a um programa de computador para introduzir todas as variáveis. O programa tem em consideração a altura das antenas em relação ao solo, o nível de refração do solo, o raio efetivo da terra, constantes do solo e clima.
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
O modelo de Longley-Rice contempla dois modos de operação, o Modo de Área e o Modo Ponto-a-Ponto. O primeiro é utilizado nos casos em que não se conhece o perfil do terreno do percurso definido. São, por isso, utilizados os parâmetros estatísticos e ambientais para estimar as perdas de propagação. Pode-se consultar estes parâmetros nas tabelas do Anexo I. O segundo modo utiliza mapas digitais com informações detalhadas sobre o relevo do terreno juntamente com os parâmetros estatísticos ambientais, de forma a prever com maior exatidão as perdas do percurso no terreno.
A Figura 2.10 representa a geometria utilizada pelo modelo de Longley-Rice. As distâncias dependem do relevo do terreno, ao longo do percurso. É necessário fornecer a altura efetiva das antenas, a distância horizontal das antenas e , os ângulos de elevação e e a distância angular de transmissão .
Figura 2.10 - Geometria associada ao modelo de Longley-Rice [4].
As distâncias e são dadas atrvés de [4]:
17 0,07 ∆ (2.14)
17 0,07 ∆ (2.15)
Para locais próximos à antena emissora, o modelo Longley-Rice adota a propagação em linha de vista. Para distâncias médias usa uma dupla difração com o obstáculo em forma de lâmina (knife edge) e finalmente um modelo de propagação troposférico, para distâncias elevadas. A Figura 2.11 apresenta um exemplo das faixas de atenuação ao longo do percurso de propagação.
Figura 2.11 - Atenuação de referência [16].
As perdas totais pertencentes a um determinado percurso são dadas pelo somatório entre a perda do espaço livre, , e a atenuação de referência. A perda em espaço livre é calculada pela equação (2.2) enquanto o cálculo das restantes variáveis pode ser efetuado com base no algoritmo simplificado proposto por Huffor [16], na qual está descrito em detalhe a fundamentação matemática de cada parâmetro.
2.4 Modelos para vegetação
Os modelos para meios com vegetação dão um valor aproximado da atenuação extra em relação ao espaço livre para ambientes com folhagem ou troncos no percurso de propagação entre o transmissor e o recetor.
2.4.1 Modelo de Weissberger
O modelo de Weissberger [5] é um modelo de propagação que estima a atenuação devido à propagação de uma ou mais árvores, numa transmissão ponto-a-ponto. Este modelo é válido para frequências dos 230 MHz a 95 GHz e densidade de folhagem até 400 m.
O modelo é apenas aplicável quando existe um obstáculo composto por folhagem ou vegetação entre os pontos de comunicação. É, idealmente, aplicado em situações em que a linha de vista está bloqueada por espaços densos de floresta, composta por árvores com elevada folhagem ou vegetação seca.
O modelo de Weissberger é representado por
dB 1,33
0,284 0,588, se 14 400
0,45 0,284 , se 0 14 (2.16)
em que (m) representa a distância de folhagem ao longo do percurso de transmissão e a frequência ( ) é dada e GHz [14].
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
2.4.2 Modelo ITU
Tomando em consideração as recomendações descritas no ITU-R, em [14] desenvolveram o modelo FITU-R utilizando dados medidos nas frequências de 11,2 GHz e 20 GHz [17]. É representado por:
dB 0,39 0,39 0,25 com folhas
0,37 0,18 0,59 sem folhas (2.17)
Meng, Lee e Ng [17] otimizaram estas equações nas bandas de VHF e UHF, com dados obtidos a 240 MHz e 700 MHz, num meio com vegetação pouco densa. A grande diferença é que este modelo toma em consideração a componente lateral, onde o sinal segue ao topo das árvores.
dB 0,48 0,43 0,13 (2.18)
É de realçar que estes modelos apenas dependem da frequência e da distância e não de outros parâmetros importantes, quando se analisa propagação num ambiente de floresta.
2.4.3 Modelo COST 235
O modelo COST 235 [6] considera duas situações distintas. A primeira leva em consideração se as árvores estão com folhas e a segunda nos momentos em que a folhagem cai, normalmente no outono, em árvores caducas, sendo a atenuação em dB dada por:
235 dB 15,6
0,009 0,26 com folhas
26,6 0,2 0,5 sem folhas (2.19)
com a frequência apresentada em MHz.
2.3.4 Modelo Log-Normal
O modelo Log-Normal [8] é bastante usado para descrever o desvanecimento lento. As perdas de percurso são dadas por:
dB 0 10 log10
0 (2.20)
O parâmetro é dado pelo indicador de perdas de percurso, que refere o decaimento do sinal em relação à distância. Considerando-se = 2 tem-se o decaimento do espaço livre. refere-se à atenuação a uma distância de referência , mas no campo
distante. é uma variável aleatória gaussiana, em dB, com desvio padrão e reflete a variabilidade da potência recebida em relação a sua média. As três variáveis da equação (2.20) podem ser utilizadas para descrever a atenuação devido à perda de percurso num determinado meio.
2.4.5 Modelo de Azevedo e Santos
O modelo apresentado em [9] toma em consideração os parâmetros físicos da floresta, relacionando as perdas com a densidade de vegetação. Baseia-se em medições extensivas realizadas nas florestas da lha da Madeira, nas bandas de 870 MHz e 2,414 GHz com antenas a uma altura de 3 m acima do solo.
O modelo baseia-se no modelo da log-normal e permite prever a atenuação em função da distância (até 400 m) e da frequência (gama) em função da densidade de vegetação. Esta é definida por:
∗ (2.21)
com o número de árvores por m2 e é o diâmetro dos troncos em cm. Os parâmetro
da log-normal são definidos por:
0,043 40 0,47 0,54 0,42 0,45 40 0,15 2 (2.22)
0 0,026 0.49 0,47 20 log10 4π (2.23)
Para distâncias inferiores a 60 m utiliza-se = 60, exceto na área junto ao emissor, em que se utiliza o modelo de espaço livre. A frequência é dada em GHz e = 1 m.
2.5 Modelos devido a condições atmosféricas
A atmosfera é composta por vários gases, que absorvem a energia eletromagnética, independentemente da sua frequência. Pode-se considerar a atmosfera como sendo organizada em várias camadas horizontais, a diferentes altitudes, cada uma constituída por vapor de água e oxigénio, com densidades distintas [3]. A atenuação atmosférica depende da pressão, da temperatura e do vapor de água. Devido a estes fatores, a atenuação pode variar com a posição geográfica, altitude e o percurso de transmissão.
A presença de humidade na atmosfera pode tomar formas distintas, que por sua vez, também tem influência na atenuação na propagação do sinal. Estes efeitos estão obviamente correlacionados com a frequência.
2.5.1 Atenuação por oxigénio e vapor de água
A atenuação suplementar devido ao vapor de água e densidade de oxigénio é mínima para frequências de 1 a 10 GHz [3] [18].
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
Uma forma de expressar o valor da atenuação suplementar é através de:
dB 0 0 (2.24)
em que representa o coeficiente de atenuação devido ao oxigénio e é o coeficiente de atenuação do vapor de água medidos em dB/km em ligações terrestres, uma vez que não existe variação apreciável ao longo do percurso.
As atenuações específicas do vapor de água e do ar seco em dB/Km, a partir do nível do mar até altitudes até 5 Km, podem ser calculadas com uma precisão de ∓ 15%. Para frequências inferiores ou iguais a 57 GHz são dados através de:
7,27 0,351
7,5
57 2,44 10 (2.25)
com a frequência em GHz, dado por /1012 sendo a pressão atmosférica em e é dado por 288/(273+ ) com a temperatura em graus centígrados.
A atenuação por vapor de água é expressa por:
3,27 10 1,67 10 7,7 10 , 3,79 22,235 9,81 11,73 183,31 11,85 4,01 325,153 10,44 10 (2.26)
em que é a quantidade de vapor de água em g/m . O valor de não pode ultrapassar o valor da saturação à temperatura considerada.
Os valores da atenuação calculam-se com recurso às curvas presentes na Figura 2.12, que representam a atenuação específica dos gases atmosféricos para uma pressão atmosférica de 1013 hPa, a uma temperatura de 15 ºC e uma concentração de vapor de água de 7,5 g/m [3] [18].
Frequência GHz
Oxigénio
Vapor de Água
At
e
n
u
a
çã
o
e
sp
e
cif
ica
(d
B
/k
m
)
Figura 2.12 - Atenuação específica devida aos gases atmosféricos [19].
2.5.2 Modelo ITU para nevoeiro e nebulosidade
O ITU prevê um modelo para nevoeiro e atenuação por nebulosidade que é válido até aos 200 GHz [20] [21]. A atenuação específica é dada por:
dB/km (2.27)
onde representa a atenuação específica na nuvem, é o coeficiente de atenuação específica em (dB/km)/(g/m3) e representa a densidade de água líquida, na nuvem, em
g/m3.
Para frequências na ordem dos 100 GHz e acima, a atenuação devido ao nevoeiro, poderá ser significativa. Tipicamente, = 0,05 g/m3 para nevoeiro com média densidade
(300 m de visibilidade) e = 0,5 g/m3 para nevoeiro com alta densidade (50 m de
visibilidade) [14].
A Figura 2.13 representa o produto entre a atenuação total devido às nuvens e a frequência, para vários ângulos de elevação usando o pior caso possível a nível de densidade.
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
Figura 2.13 - Produto em a atenuação e a frequência [14].
2.5.3 Atenuação devido à precipitação
A precipitação tem influência na atenuação global do sistema de ligação [3]. O desvanecimento devido à chuva depende da taxa de pluviosidade, tamanho, forma da gota, densidade e volume. Destes fatores, apenas a taxa de pluviosidade é facilmente medida, sendo então o parâmetro mais utilizado para caracterizar o desvanecimento devido a chuva.
Um dos modelos mais utilizados é a recomendação ITU-R P.838-3 [22]. É calculado a partir de dados do ITU, sendo a atenuação específica determinada utilizando coeficientes de regressão e taxas de crescimento de chuva.
A interpolação dos coeficientes é efetuada utilizando-se uma escala logarítmica de frequência para os ângulos de elevação, , e uma escala linear para a polarização, . Os coeficientes interpolados para frequências de 1 a 1000 GHz podem ser consultados em [22]. Estes valores são dependentes da frequência e da polarização. O ângulo de elevação do percurso de propagação é dado por:
kH kV kH kV 2 θ 2τ
2 (2.28)
enquanto a polarização é dada por:
2 2
2 (2.29)
em que é o ângulo de elevação do percurso de propagação e é o ângulo de polarização (0° - Horizontal; 45° - Circular; 90° vertical).
Na Tabela 2.1 encontram-se os valores da percentagem de tempo no ano em que o valor da intensidade de precipitação é excedido no território Português, em que o arquipélago da Madeira insere-se na zona K [23].
Tabela 2.1 - Intensidade de precipitação (mm/h)
Intensidade da Precipitação / Percentagem de tempo (%) Zona H Zona K 2 1,5 1 4 4,2 0,3 10 12 0,1 18 23 0,03 32 42 0,01 55 70 0,003 83 100 0,001
O método de cálculo da atenuação devido a chuva, seguindo a Recomendação P.530-7 da ITU-R [24], consiste em primeiro lugar em obter a intensidade de precipitação excedida durante o pior mês, utilizando a Tabela 2.1, para o caso do arquipélago da Madeira. O segundo passo é calcular o coeficiente de atenuação, dado por:
dB/km (2.30)
Finalmente, a atenuação excedida pelo percurso é dado pela multiplicação pela distância eficaz do percurso.
1
35 , ,
(2.31)
2.6 Feixes hertzianos
Os feixes hertzianos são tipicamente ligações ponto a ponto na zona das micro-ondas. A designação deve-se ao trabalho de Hertz, que passou da teoria à prática e consegui-o comprovar o trabalho de Maxwell gerando ondas rádio em ambiente de laboratório [25].
A propagação faz-se normalmente em linha de vista, com saltos máximos de, aproximadamente, 50 km. O alcance encontra-se limitado pela curvatura da Terra. Para ligações longas ou obstruídas pela orografia do percurso, torna-se necessário o uso de repetidores. Utiliza-se este modo de propagação geralmente nas comunicações a longa distância, recorrendo-se a portadoras com frequência elevadas (2 a 40 GHz), utilizando antenas bastante diretivas (parabólicas), confinando a maior parte da energia transmitida
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
a um feixe. No entanto, o feixe hertziano requer um alinhamento cuidadoso das antenas [3].
2.6.1 Tipos de atenuação
Quando se refere a feixes hertzianos, tem-se que ter em conta os diversos tipos de atenuação, que podem prejudicar a qualidade do sinal. A Figura 2.14 apresenta os diferentes tipos de atenuação, bem como a sua influência numa ligação por feixes hertzianos, tendo sempre como referência a Recomendação P.341-5 da ITU-R [26].
Figura 2.14 - Distinção dos diferentes tipos de atenuação [3].
A atenuação em espaço livre ocorre num meio dielétrico limitado e homogéneo. A atenuação de propagação refere-se a atenuação entre antenas, caso estas fossem substituídas por antenas isotrópicas. A relação entre a potência radiada pela antena de emissão e a potência disponível na antena recetora refere-se à atenuação de transmissão. A atenuação de sistema é a atenuação entre os terminais das antenas, incluindo todas as perdas dielétricas, circuitos de adaptação e resistências terminais. Finalmente, a atenuação global diz respeito à relação direta da potência fornecida pelo emissor e a potência recebida pelo recetor, em condições reais, ou seja, reúne todas as anteriores atenuações [3].
2.6.2 Desvanecimento
O desvanecimento ocorre devido às características do meio de propagação serem variáveis no tempo, fazendo com que a potência recebida no recetor oscile com o tempo, mesmo quando a potência transmitida é constante. O desvanecimento por multipercurso acontece quando existe mais do que um percurso distinto entre duas antenas terminais. A antena recetora recebe interferências, com atenuações semelhantes, dos vários percursos com fases relativas que dependem das diferenças dos caminhos percorridos. Podem existir, também, reflexões nas camadas da atmosfera mais próximas do terreno, como é o exemplo da neblina ou do nevoeiro em vales com muita humidade. No entanto, estas
condições só ocorrem em alturas sem vento e durante a madrugada ou nas primeiras horas da manhã [3].
A Recomendação P.530-14 do ITU-R [7] sugere um modelo para o cálculo dos efeitos multipercurso na atmosfera. Este divide-se em dois, um referente ao desvanecimento para uma qualquer probabilidade, descrito em pormenor em [7], e um outro para o caso do desvanecimento de baixa probabilidade. Neste método determina-se o fator geoclimático , para o mês médio mais desfavorável para percursos terrestres, sendo definido através de:
10 , , 1 , (2.32)
em que d , é o gradiente do índice de refração pontual que não excede 1% da média anual disponível na Recomendação ITU-R P.453. e refere-se a rugosidade do terreno. Pode-se aproximar o valor de por:
10 , , (2.33)
Determinado o gradiente de refratividade da zona geográfica em estudo, calcula-se a amplitude da inclinação do percurso através de:
| |
(2.34) sendo e as alturas acima do nível médio do mar, em metros, das antenas emissoras e recetoras, respetivamente, e a distância em km entre as antenas.
A probabilidade da potência recebida ser inferior ou igual a , à frequência em GHz, com sendo a altura da antena mais baixa em metros, é dada por:
3,4 1 1,03 0,8 10 0,00076 0 (2.35)
ou usando a aproximação:
3,1 1 1,29 0,8 10 0,00089 0 (2.36)
O limite inferior da gama de frequências é calculado por:
GHz 1,5 (2.37)
O segundo método pode ser consultado detalhadamente na Recomendação P.530-14 da ITU-R [7]. No entanto, para as condições normais da Europa Ocidental é possível estimar, de forma grosseira, o desvanecimento não excedido durante mais de 80% do tempo, no pior mês por:
Capítulo II – Modelos de Propagação e Feixes Hertzianos
A Figura 2.15 representa o desvanecimento dado pela equação (2.38) em função do comprimento do percurso, para vários valores de frequência.
Figura 2.15 - Desvanecimento não excedido durante 80% do tempo em função da distância [3].
2.7 Projeto de ligação por feixes hertzianos
O projeto de uma ligação entre dois pontos engloba a seleção do percurso, a gama de frequências de trabalho e a escolha dos componentes principais, necessários para a transmissão de um ou mais sinais com qualidade preestabelecida e ao mais baixo custo. Em qualquer projeto é fundamental existir um equilíbrio entre o custo de estabelecimento da ligação, exploração e conservação. O projetista deve estar familiarizado com os detalhes da montagem, exploração e fazer uso de bom senso [3].
2.7.1 Escolha do percurso
A escolha do percurso torna-se num elemento fundamental para uma ligação por feixes hertzianos. Com os meios tradicionais, a escolha do percurso é feita por tentativas, sendo efetuado um estudo relacionando os custos com a fiabilidade de propagação [3].
O primeiro passo consiste em determinar a localização entre os quais se pretende estabelecer a ligação, fazendo uso de cartas militares ou software próprio. Para percursos da ordem dos 50 a 60 km normalmente usa-se uma carta à escala de 1:25000, com curvas de nível espaçadas de 10 m. Para ligações mais longas ou com vários saltos, é usual utilizar cartas com escala até 1:250000 [3] [27].
Identificados os locais para o emissor e recetor, desenha-se sobre a carta um arco de círculo máximo que os une, que representa uma aproximação à ligação pretendida. É efetuada uma leitura do valor dos pontos máximos relativos. Se numa primeira observação, este percurso encontra-se desobstruído ou for possível desobstruí-lo com recurso a mastros de antenas inferiores a 30 m, então o percurso pode ser estudado, caso contrário torna-se necessário um percurso alternativo [27].
2.7.2 Frequência
A instalação de sistemas de feixes hertzianos, fora das bandas livres, está dependente de licenciamento pela autoridade responsável pela gestão do espetro (ANACOM). A frequência de trabalho e a largura dos canais radioelétricos deve ser determinada de acordo com as recomendações aplicáveis pelo ITU-R, as condições de propagação e as restrições locais devido a sistemas já existentes ou futuros, de maneira a evitar interferências [3].
2.7.3 Antenas
Uma parte fundamental numa ligação por feixes hertzianos são as antenas, sendo escolhidos tendo em consideração a frequência e a finalidade do sistema de transmissão. Obviamente existem diversos tipos de antenas com as mais diversas aplicações. Para feixes hertzianos são normalmente utilizados dois tipos distintos de antenas, as antenas do tipo refletor parabólico e as antenas helicoidais ou Yagi-Uda. As antenas parabólicas são normalmente utilizadas para frequências superiores a 1 GHz, com tamanhos normalmente compreendidos entre os 0,5 a 4 metros de diâmetro. As antenas helicoidais ou Yagi-Uda são mais indicadas para frequências inferiores a 1 GHz [3] [25].
2.7.4 Cabos e guias de ondas
Numa instalação tem-se de tomar em consideração como é realizada a ligação entre a fonte emissora ou recetora e a antena. Esta ligação é calculada de forma específica de modo a conseguir suportar as altas frequências utilizadas no projeto deste tipo de ligações. O cabo coaxial é amplamente utilizado para frequências inferiores a 2 GHz. Para frequências mais elevadas pode-se recorrer a guias de onda metálicas. Se apenas for considerada a atenuação, normalmente utilizam-se guias de onda para frequências superiores a 2 GHz, uma vez que para frequências inferiores têm a secção transversal de dimensões elevadas o que o torna de difícil a sua aplicação. As guias de onda, normalmente são feitas de cobre e distinguem-se pela forma da secção, retangular, circular ou elíptica. Obviamente, cada tipo de secção tem características específicas que justifica a sua utilização [3].
2.7.5 Equipamento radioelétrico
O equipamento radioelétrico é tipicamente constituído por um emissor e um recetor, incluindo fontes de alimentação e oscilador local, modulador, desmodulador ou combinador de diversidade. São normalmente montados em estruturas metálicas, chamados bastidores.
A potência de emissão em sistemas de feixes hertzianos depende da frequência de trabalho mas é em geral, inferior a 10 W, podendo-se estimar por [3]:
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2.7.6 Fornecimento de energia
Todos os sistemas de telecomunicações devem garantir uma elevada fiabilidade. Para esse efeito, torna-se imprescindível que os períodos de indisponibilidades devido a propagação, a avarias de equipamentos, a erros humanos, sejam baixos, mas também que o fornecimento de energia elétrica tenha uma fiabilidade e redundância elevada. Um dos maiores problemas é que muitas estações de feixes hertzianos, em particular as estações repetidoras, estão normalmente instaladas em locais remotos, de difícil acesso e não estão servidas pela rede pública de distribuição de energia elétrica [3].
Para consumos inferiores a 1000 W, na estação, pode-se considerar a energia proveniente de fontes renováveis como painéis fotovoltaicos ou geradores eólicos.
2.7.7 Cálculo de uma ligação
Apresenta-se de seguida, a título de exemplo, os cálculos de uma ligação por feixes hertzianos digitais. Na Figura 2.16 apresenta-se uma representação gráfica do cálculo de uma ligação por feixes hertzianos.
Potência Rx Sensibilidade Rx Distância dB m Potência Tx EIRP Rádio Rx Rádio Tx Margem Perdas de Propagação
Cálculo da ligação
Linha de vistaFigura 2.16 - Cálculo da ligação por feixes hertzianos.
Para a estimação da margem de segurança torna-se necessário em primeiro lugar calcular o sinal recebido. Para efetuar esse cálculo é necessário conhecer os valores da potência de transmissão, a sensibilidade do sistema e o valor dos ganhos das antenas do sistema de comunicação. Estes valores, normalmente, encontram-se documentados nas folhas de características dos rádios e das antenas de emissão e receção. Caso os parâmetros das antenas e rádios sejam iguais espera-se um valor de potência recebida igual nos dois sentidos. No entanto, caso exista rádios ou antenas diferentes, tem-se que efetuar a analise em ambas as direções.
O primeiro passo no cálculo de uma ligação é verificar-se se existem interferências no primeiro elipsoide de Fresnel. Caso não existam utiliza-se a estimação das perdas de
